Tecnología de identificación por radiofrecuencia en la banda de UHF

Texto completo

(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Unidad Profesional Adolfo López Mateos

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

“TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR

RADIOFRECUENCIA EN LA BANDA DE UHF”.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA

P R E S E N T A:

ING. DULCE LESLY BORJA BECERRIL

ASESOR:

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(3)
(4)

ÍNDICE. Pág.

CAPÍTULO 1

1. INTRODUCCIÓN. 1

1.1. TECNOLOGÍA RFID. 1

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 4

1.3. OBJETIVO. 5

1.4. JUSTIFICACIÓN. 5

1.5. ALCANCE. 5

1.6. CONTENIDO DE LA TESIS. 5

CAPÍTULO 2

2. TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA. 7

2.1. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA RFID. 7 2.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TECNOLOGÍA DE

IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA (RFID).

8

2.3. TIPOS DE SISTEMAS. 9

2.4. FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS RFID. 11 2.5. COMPONENTES DE LA TECNOLOGÍA RFID. 11

2.5.1. ETIQUETAS RFID. 11

2.5.1.1. COMPONENTES DE UNA ETIQUETA RFIDPASIVA. 13 2.5.1.2. TIPO Y CAPACIDAD DE DATOS ALMACENADOS. 14

2.5.2. LECTOR RFID. 15

2.5.2.1. COMPONENTES DEL LECTOR. 16

2.5.2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS LECTORES RFID. 16

2.5.3. LA ANTENA DEL LECTOR. 17

2.5.4. EL SISTEMA DE INFORMACIÓN. 19

2.6. FRECUENCIA DE OPERACIÓN. 19

2.6.1. BAJA FRECUENCIA LF (< 135KHz) 20

2.6.2. ALTA FRECUENCIA HF (13.56MHz) 20

2.6.3. ULTA ALTA FRECUENCIA UHF (433MHz, 860MHz, 928MHz) 20

2.6.4. MICROONDAS (2.45GHz y 5.8GHz) 20

2.7. APLICACIONES DE RFID. 22

(5)

2.7.2. APLICACIONES DE SEGURIDAD. 23

2.7.3. CONTROL DE ACCESOS. 24

2.7.4. EJEMPLO DE UNA APLICACIÓN. 24

2.8. IDENTIFICACIÓN VEHICULAR. 26

CAPÍTULO 3.

3. TECNOLOGÍA RFID PASIVA EN LA BANDA UHF. 28

3.1. ETIQUETAS RFID PASIVAS. 28

3.1.1. ANTENA.

30

3.1.1.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DE LA ANTENA. 31

3.1.1.1.1. BANDA DE FRECUENCIA. 31

3.1.1.1.2. TAMAÑO Y FORMA. 32

3.1.1.1.3. INTERVALO DE LECTURA. 32

3.1.1.1.4. MOVILIDAD. 32

3.1.1.1.5. COSTO. 32

3.1.1.1.6. CONFIABILIDAD. 32

3.1.1.2. DISEÑO DE UNA ANTENA. 33

3.1.2. CIRCUITO INTEGRADO. 34

3.2. LECTOR DE UN SISTEMA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA.

38

3.2.1. ARQUITECTURA TÍPICA DE UN LECTOR RFID. 38

3.3. ACOPLAMIENTO DIRECTO. 40

3.3.1. SISTEMA DE ENTRADA IP3. 40

3.4. POTENCIA RECIBIDA EN UNA ETIQUETA RFID. 43

3.4.1. CANAL DE COMUNICACIÓN. 45

CAPÍTULO 4

4. CARACTERIZACIÓN DE LOS EQUIPOS RFID. 49

4.1. PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS. 49

4.2. OPERACIÓN DEL SISTEMA. 50

4.2.1. MEDICIÓN DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. 50 4.2.1.1. RESULTADOS DE LA TECNOLOGÍA RFID A 915MHz. 51 4.2.1.2. RESULTADO DE LA TECNOLOGIA RFIDA 433MHz. 51

(6)

4.3.1.1. RESULTADO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL LECTOR. 54 4.4. CABLE DE CONEXIÓN ENTRE LECTOR Y ANTENA. 55

4.4.1. IMPEDANCIA DEL CABLE. 56

4.4.1.1. RESULTADO DE LA MEDICIÓN EN TECNOLOGÍA RFID A LA

FRECUENCIA DE 915MHz.

57

4.4.2. PÉRDIDAS DEL CABLE. 57

4.4.2.1. RESULTADO EN LA TECNOLOOGÍA RFID A 915MHz. 58

4.5. ANTENA. 58

4.5.1. IMPEDANCIA DE LA ANTENA EN LABORATORIO. 59 4.5.1.1. RESULTADO DE LA IMPEDANCIA DE LA ANTENA. 59 4.5.1.2. RESULTADO DEL SWR DE LA ANTENA. 59

4.6. ETIQUETA RFID. 60

4.6.1. MEDICIÓN DE LECTURAS CON GIRO DE LA ETIQUETA A

DIFERENTES ANGULOS.

60

4.6.2. MEDICIÓN DE LECTURAS CON SEÑAL DE INTEREFRENCIA. 63 4.6.2.1. COLOCACIÓN DE LA TECNOLOGÍA RFID PASIVA BAJO

SEÑALES DE INTERFERENCIA.

64

4.6.2.2. COLOCACIÓN DE LA TECNOLOGÍA RFID ACTIVA BAJO

SEÑALES DE INTERFERENCIA.

65

4.6.2.3. RESULTADO DEL NÚMERO DE LECTURAS BAJO SEÑALES DE INTERFERENCIA A LA TECNOLOGÍA RFID PASIVA.

65

4.6.2.4. RESULTADO DEL NÚMERO DE LECTURAS BAJO SEÑALES DE INTERFERENCIA A LA TECNOLOGÍA RFID ACTIVA.

66

4.6.3. POTENCIA RADIADA POR LA ETIQUETA RFID ACTIVA. 69 4.6.3.1. RESULTADO DE LA POTENCIA RADIADA DE UNA ETIQUETA

RFID ACTIVA.

70

CAPÍTULO 5

5. PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD DE LA TECNOLOGÍA RFID. 72

5.1. SISTEMA RFID. 72

5.1.1. AMBIENTE ELECTROMAGNÉTICO. 72

5.1.1.1. RESULTADOS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO PARA SISTEMAS RFID A 915MHz EN CAMPO.

73

5.1.1.2. RESULTADOS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO PARA SISTEMAS RFID A 433MHz EN CAMPO.

74

5.1.2. POTENCIA DE RADIACIÓN. 75

(7)

5.2. CAMPO. 77 5.2.1. PRUEBA DE VERIFICACIÓN DE LECTURAS A DISTINTAS

VELOCIDADES.

77

5.2.1.1. COLOCACIÓN DE ETIQUETAS PARA LAS VELOCIDADES A 40Km/h y 60Km/h EN TECNOLOGÍA RFID A 915MHz.

79

5.2.1.2. COLOCACIÓN DE ETIQUETAS PARA LAS VELOCIDADES A 40Km/h y 60Km/h EN TECNOLOGÍA RFID A 433MHz.

80

5.2.1.3. RESULTADO DEL NÚMERO DE LECTURAS A 40 Y 60Km/h DE LA TECNOLOGÍA RFID A 915MHz.

81

5.2.1.4. RESULTADO DE LECTURAS DE LA TECNOLOGÍA RFID A

433MHz EN 40 Y 60Km/h.

82

5.2.1.5. COLOCACIÓN DE ETIQUETAS DE FRECUENCIA 433MHz y 915MHz PARA ALTAS VELOCIDADES.

82

5.2.1.6. RESULTADO DE LECTURAS DE LA TECNOLOGÍA RFID A

915MHz A ALTA VELOCIDAD.

83

5.2.1.7. RESULTADO DE LECTURAS DE LA TECNOLOGÍA RFID A

433MHz A ALTA VELOCIDAD.

86

5.2.2. MEDICIÓN DE LECTURAS CON GIRO DE LA ETIQUETA DE 915MHz A DIFERENTES ANGULOS.

87

5.2.2.1. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DEL NÚMERO DE LECTURAS CON GIRO DE LA ETIQUETA DE 915MHz A DIFERENTES ANGULOS.

89

5.2.3. MEDICIÓN DE LA POTENCIA RADIADA POR COORDENADAS. 90 5.2.3.1. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DE POTENCIA POR

COORDENADAS.

91

5.2.4. COBERTURA DE LA ETIQUETA DE 433MHz. 92

CONCLUSIONES. 93

TRABAJO FUTURO. 95

REFERENCIAS. 96

GLOSARIO. 98

APÉNDICE A.

CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DE MEDICIÓN. 106

(8)

PRUEBAS.

2. CALIBRACIÓN DEL PUENTE R&S FHS-Z2. 107 3. CALIBRACIÓN DEL ANALIZADOR DE REDES HP 8510. 108

APÉNDICE B.

CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO DE MEDICIÓN. 110

1. Generador de Señal 110

2. Análisis de Espectro y Red 113 3. Puentes de ROE ZRA, ZRB2, ZRC, VCA-Z1. 115 4. ANTENA HYPERLLOG 4060. ANTENA EMC CON ANCHO DE

BANDA DE 400MHz A 6GHz.

117

APÉNDICE C.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS RFID BAJO PRUEBA. 118

1. LECTORES. 118

2. ETIQUETAS. 119

3. ANTENAS. 120

(9)

ÍNDICE DE FIGURAS. Pág.

CAPÍTULO 2

Figura 2.1. Principio básico de un sistema de RFID. 9

Figura 2.2. Esquema del funcionamiento del sistema RFID. 11

Figura 2.3. a) Etiquetas RFID pasivas. b) Etiquetas RFID activas. 13

Figura 2.4. Componentes de una etiqueta pasiva. 14

Figura 2.5. Esquema de los componentes de un lector RFID. 16

Figura 2.6. Tipos de lectores RFID (fijos portátiles y de escritorio). 17

Figura 2.7. Tipos de antenas para lectores RFID. 18

Figura 2.8. Protocolo de comunicación entre etiqueta y lector. 19

Figura 2.9. Aplicaciones de la tecnología RFID. 24

Figura 2.10. Diagrama de una aplicación de la tecnología RFID. 25

Figura 2.11. Identificación vehicular con tecnología RFID. 26

CAPÍTULO 3

Figura 3.1 Esquema básico de una etiqueta de RFID pasiva. 28

Figura 3.2. Gráfica normalizada para determinar el desempeño de la

etiqueta.

31

Figura 3.3. Antena para etiqueta de RFID y su patrón de radiación. 33

Figura 3.4. Antenas típicas de etiquetas de RFID. 33

Figura 3.5. Antena para etiqueta RFID, dipolo doblado

λ

2

. 34 Figura 3.6. Simulación de los efectos de un plano de tierra para un dipolo

doblado de una etiqueta RFID.

34

Figura 3.7. Arquitectura típica del circuito integrado para las etiquetas RFID. 35

Figura 3.8. Portadora de RF en la entrada y salida de una etiqueta de RFID. 38

Figura 3.9. Diagrama de un lector de tecnología RFID con dos antenas. 39

Figura 3.10. Diagrama de un lector de tecnología RFID con una antena. 39

Figura 3.11. Diagrama del acoplamiento directo para un sistema con dos

antenas.

42

Figura 3.12. Potencia recibida en la etiqueta RFID. 44

Figura 3.13. Simulación del modelo de propagación multi-rayo para un

sistema RFID enlace de subida.

47

Figura 3.14. Simulación del modelo de propagación multi-rayo para un

sistema RFID enlace de bajada.

(10)

CAPÍTULO 4

Figura 4.1. Diagrama a bloques de un sistema de la tecnología RFID. 49

Figura 4.2. Esquema de medición del espectro electromagnético en

laboratorio.

50

Figura 4.3. Frecuencia de operación del sistema RFID. 51

Figura 4.4. Frecuencia de operación del sistema RFID con demodulación FSK. 51

Figura 4.5. Frecuencia de operación del enlace de bajada del sistema RFID. 52

Figura 4.6. Esquema de conexión de la impedancia y potencia nominal del un

Lector de RFID.

54

Figura 4.7. Datos obtenidos por el analizador de espectros para la potencia

nominal del lector y el VSWR.

54

Figura 4.8. Forma de conexión para pruebas del cable. 56

Figura 4.9. Gráfica obtenida de la impedancia del cable en laboratorio. 57

Figura 4.10. Gráfica obtenida de las pérdidas del cable. 58

Figura 4.11. Gráfica que muestra la impedancia de la antena. 59

Figura 4.12. Gráfica obtenida de la relación de onda estacionaria. 60

Figura 4.13. Esquema de medición del número de lecturas con giros de la

etiqueta.

61

Figura 4.14. Número de lecturas con variación del ángulo de la etiqueta. 62

Figura 4.15. Esquema de medición de la potencia radiada con señal de

interferencia.

64

Figura 4.16. Equipo de medición para las pruebas con señal de interferencia. 64

Figura 4.17. Etiqueta activa bajo prueba dentro de la cámara anecoica. 65

Figura 4.18. Histogramas del número de lecturas con señal de interferencia

con modulación.

66

Figura 4.19. Esquema de aplicación de la señal interferente hacia una

etiqueta RFID activa.

68

Figura 4.20. Frecuencia de operación del enlace de bajada del sistema RFID. 70

CAPÍTULO 5

Figura 5.1. Esquema de medición del espectro electromagnético en campo. 72

Figura 5.2. Gráfica obtenida por el receptor de EMI sin equipo RFID

conectado.

73

Figura 5.3. Gráfica obtenida por el receptor de EMI con lectura de etiquetas a

7m de distancia del lector.

74

Figura 5.4. Gráfica de la medición del ambiente electromagnético con el

lector, trabajando (rojo) y con la señal de referencia (verde).

(11)

Figura 5.5. Representación de los puntos de medición en campo de la

cobertura de radiación por unidad de lectura fija con antena externa.

76

Figura 5.6. Colocación de los puntos para la medición de potencia tomada de

un lector fijo con antena externa.

76

Figura 5.7. Ángulo de colocación de la antena lectora. 77

Figura 5.8. Sitio de pruebas para bajas velocidades. 78

Figura 5.9. Circuito para pruebas de velocidad. 79

Figura 5.10. Colocación de la etiqueta en el automóvil de prueba en campo. 79

Figura 5.11. Colocación del receptor del sistema de la tecnología RFID activa. 80

Figura 5.12. Colocación de la etiqueta activa en el automóvil de pruebas. 80

Figura 5.13. Resultado del número de lecturas a baja velocidad. 81

Figura 5.14. Colocación de la etiqueta de 433MHz en los automóviles a

prueba.

82

Figura 5.15. Resultados de la lectura a 80 Km/h, proporcionados por

software.

84

Figura 5.16. Resultados de la lectura a 120Km/h, proporcionados por

software.

84

Figura 5.17. Resultados de la lectura a 140Km/h, proporcionados por

software.

85

Figura 5.18. Resultados de la lectura a 180Km/h, proporcionados por

software.

85

Figura 5.19. Giro de la etiqueta con respecto a la horizontal. 88

Figura 5.20. Colocación de la etiqueta a diferentes ángulos. 88

Figura 5.21. Resultados del número de lecturas. 89

Figura 5.22. Esquema de medición de la potencia radiada en campo. 91

Figura 5.23. Gráfica en 3D que muestra el nivel de potencia de la antena

lectora.

(12)

ÍNDICE DE TABLAS. Pág.

CAPÍTULO 2

Tabla 2.1. Intervalo de Frecuencias de los sistemas RFID. 21

Tabla 2.2. Características típicas de los sistemas RFID dependiendo de la

frecuencia de operación.

21

CAPÍTULO 3

Tabla 3.1 Etiquetas de RFID que operan en la frecuencia de 915MHz. 29

Tabla 3.2 Etiquetas de RFID que operan en la banda de 2.45GHz. 29

Tabla 3.3. Parámetros típicos para una etiqueta RFID a 915MHz. 37

CAPÍTULO 4

Tabla 4.1. Principales características del lector en un sistema RFID. 53

Tabla 4.2. Principales características del Cable de conexión entre antena y

lector.

55

Tabla 4.3. Principales características de la antena lectora. 58

Tabla 4.4. Número de lecturas y su valor promedio con variación del ángulo

de la etiqueta.

62

Tabla 4.5. Número de lecturas obtenido con una señal de interferencia con

modulación y variación de la potencia de salida de generador R&S.

66

Tabla 4.6. Lecturas existentes con una señal de interferencia sin modulación

y variación de la potencia de salida de generador R&S.

69

CAPÍTULO 5

Tabla 5.1. Reconocimiento de la etiqueta activa. 82

Tabla 5.2. Características iniciales y finales de temperatura en la etiqueta de

915MHz.

83

Tabla 5.3. Condiciones de temperatura de la etiqueta de 433MHz al momento

de la prueba.

83

Tabla 5.4. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 80Km/h. 83

Tabla 5.5. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 120Km/h. 84

(13)

Tabla 5.7. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 160Km/h y

180Km/h.

85

Tabla 5.8. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 80Km/h. 86

Tabla 5.9. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 120Km/h. 86

Tabla 5.10. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 140Km/h. 87

Tabla 5.11. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 160Km/h. 87

(14)

RESUMEN

Este trabajo de tesis surge de una necesidad de la Secretaría de Seguridad Pública, a partir de la publicación de la Ley de Registro Vehicular, donde se indica la identificación de todos los vehículos automotores remolques y semi-remolques que circulan en la republica mexicana, por medio de una tecnología de punta como es la de identificación por radiofrecuencia, conocida como RFID (Radio Frequency Identification) por sus siglas en inglés.

En la actualidad la tecnología de RFID se está aplicado en: control de inventarios para diferentes objetos (cadena de suministro), rastreo de animales, control de acceso, como monedero electrónico para pago de diferentes servicios (transporte) y otros. Pero en ningún país del mundo tiene la aplicación de la tecnología RFID para el control y registro vehicular, por lo que fue necesario analizar dicha tecnología y realizar pruebas, sobre todo a vehículos circulando a velocidades mayores a las permitidas en las autopistas. Las pruebas se llevaron a cabo a equipos de diferentes proveedores.

El trabajo de investigación que se reporta en esta tesis se enfoca a la caracterización de equipo de la tecnología RFID en la banda de frecuencia de UHF, por lo que primero se presenta una semblanza de la tecnología en general y para la tecnología RFID pasiva, lo cual permitió ubicar la banda de frecuencia para la aplicación de la identificación vehicular.

Como no se tienen reportes de metodologías de pruebas de esta tecnología para la identificación vehicular, se tuvieron que desarrollar tanto para pruebas en laboratorio como pruebas de campo. Las pruebas de campo consistieron en caracterizar los equipos de acuerdo a los parámetros nominales proporcionados por el fabricante y a las exigencias de la aplicación, tales como: niveles de inmunidad electromagnética, sensibilidad, potencia emitida, etc. Las pruebas de campo consistieron en determinar: la potencia radiada, la cobertura, el número de identificaciones de un vehículo pasando por la huella de radiación, etc.

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también puede utilizarse y tiene una gran capacidad de aplicaciones, con mayor alcance; pero requiere de alimentación propia por lo que necesita de mantenimiento, es más vulnerable a interferencias y captación de información. El costo de la etiqueta pasiva es 20 veces menor a la de la etiqueta activa.

(16)

ABSTRACT

This thesis is focus to analysis of Radio Frequency Iditification (RFID) technology for vehicular identification, which cover a necessity of the Secretaría de Seguridad Pública of Mexico due to Vehicular Registration Law. In this law, the uses of RFID technology to identified all railcar vehicles, tows and semi-tows that circulated you in the Mexican republic.

Nowadays, the RFID technology is applied in inventories control for different objects (supply chain), animals tracking, access control, as electronic purse for payment of different services (transports) and others. But, in neither country of the world the RFID technology has been used for the control and vehicular register. Then, it was necessary to analyze this technology and to carry out tests, mainly to vehicles circulated to more speed that the admitted ones in the freeways. The tests were carried out to equipment of suppliers different.

The investigation work that is reported in this thesis is focused to the characterization of equipments of the technology RFID in the band of frequency of UHF. Therefore, first a description brief of the technology in general and the passive RFID technology is presented, which allowed to locate the band of frequency for the application of the vehicular identification.

As reports about of tests methodologies of this technology for the vehicular identification is not exist. The tests methodologies were developed so much for tests in laboratory as field tests. The field tests consisted in characterizing the equipment according to the nominal parameters provided by the maker and to the demands of the application, such as: levels of electromagnetic immunity, sensibility, emitted power, etc. The field tests consisted on determining: the radiated power, the covering, the number of identifications of a vehicle going by the radiation print, etc.

(17)

interferences and reception of information. The cost of the passive label is 20 times minor to that of the active label.

(18)

CAPÍTULO 1

1. INTRODUCCIÓN.

El trabajo que se reporta en esta tesis es parte de una investigación de un proyecto que está llevando a cabo para la Secretaría de Seguridad Pública, el cual consiste en la determinación de una tecnología por radiofrecuencia apropiada para la identificación vehicular con el fin dar cumplimento con la Ley del Registro Público Vehicular. Una de las primeras etapas que anteceden a este trabajo es mi tesis de licenciatura [1], donde se enfoca a los estándares que se aplican a la tecnología de identificación por radiofrecuencia conocida como RFID por su siglas en inglés y a los fundamentes teóricos para el diseño de dicha tecnología, así como también algunos desarrollos que se están llevando a cabo por otros países.

La investigación que se reporta en esta tesis se enfoca a la caracterización de equipo de la tecnología RFID en la banda de frecuencia de UHF, por lo que primero se presenta una semblanza de la tecnología en general y para la tecnología RFID pasiva, lo cual permitió ubicar la banda de frecuencia para la aplicación de la identificación vehicular. También se presenta la metodología, pruebas de campo y pruebas de laboratorio de la tecnología RFID para la identificación vehicular.

1.1 TECNOLOGIA RFID.

La tecnología RFID (Radio Frequency Identification) permite la identificación a distancia de objetos o personas, de forma automática a través de un número de identificación seleccionado, que se debe de tener en una base de datos.

En la actualidad la electrónica tiene aplicación en casi todo el ámbito de la sociedad, existiendo para tal efecto una gran variedad de tecnologías de identificación, como una de las principales aplicaciones para facilitar el control de productos de comercialización masiva se tienen las etiquetas electrónicas que son sistemas de identificadores por radiofrecuencia.

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aplicaciones que se generan permiten un gran ahorro de costos, y el costo de desarrollo e implantación va disminuyendo progresivamente. Hoy en día, la tecnología se emplea para control de acceso, gestión de almacén, marcación de animales, pago de peajes, etc.

Los sistemas RFID están formados por tres componentes básicos: etiquetas (tags), lectores o receptores y un sistema central de control. En un sistema RFID típico, los objetos, animales o personas están equipados con una etiqueta que contiene un t ransponder o etiqueta inteligente con un chip digital de memoria. El lector o lector está formado por una antena, capaz de emitir una señal que activa la etiqueta, permitiéndole leer los datos almacenados en ella, y en algunos casos, incluso escribir en la memoria.

(20)

Para aplicaciones de localización en interiores, las etiquetas más adecuadas disponibles hoy en día son las activas, fundamentalmente por su mayor rango de lectura. El rango de lectura está determinado por la potencia que el lector es capaz de comunicar a la etiqueta, por la potencia con la que la etiqueta cuenta para responder, y por las condiciones del entorno.

Por tal motivo, es de gran importancia que para cada aplicación en especifico se analicen las características que puedan interferir con el correcto funcionamiento del sistema de identificación por radiofrecuencia, esto es, como primer paso evaluar la tasa de identificación del dispositivo, es decir, el número de etiquetas por segundo que el lector puede procesar de forma correcta; también es de consideración el realizar pruebas frente a condiciones externas (generadas intencionalmente y/o accidentalmente) y del mismo modo bajo condiciones ambientales (Humedad, Temperatura, Vibración, etc.).

Algunos materiales, como el metal, no son los mejores para soportar una etiqueta RFID, dado que el metal es un material que por sus características físicas genera reflexiones de señal por lo tanto puede desviar las ondas electromagnéticas destinadas para la comunicación entre la antena y el lector, sin embargo existen productos que al día de hoy no pueden ser envasados de otra forma, esto para la aplicación de cadena de suministros, de la misma manera para la aplicación de identificación vehicular las etiquetas son colocadas en los automóviles y por lo tanto es imposible no considerar los efectos del metal en la comunicación de los sistemas RFID. Los nuevos materiales y la capacidad de aislar la etiqueta de los envases serán la clave de un correcto funcionamiento del sistema.

En la actualidad, diferentes estándares para el protocolo de la interfaz en la comunicación de aire de datos están siendo implementados para las soluciones RFID, por una parte, los estándares ISO/IEC 14443 [2] e ISO/IEC 15693 [3] operan a 13,56MHz, y EPCGlobal e ISO/IEC 18000-6c [4] a 915MHz. Para las etiquetas activas el estándar es ISO/IEC 18000-7 [5]. Una solución a la multiplicidad de estándares y frecuencias es construir lectores que operen con todos ellos, lo que se le conoce como multiprotocolo de lectura, esto hace que la tecnología se vuelva genérica en cuanto a comunicación sin importar las distintas marcas que existen en el mercado.

(21)

a 13,56MHz, y EPCGlobal e ISO18000-6c a 915MHz. Una solución a la multiplicidad de estándares y frecuencias es construir lectores que operen con todos ellos, lo que se le conoce como multiprotocolo de lectura, esto hace que la tecnología se vuelva genérica en cuanto a comunicación sin importar las distintas marcas que existen en el mercado.

Los estándares se ocupan del formato en el que se almacenan los datos en las etiquetas de solo lectura. Sin embargo, las etiquetas que también permiten escritura son susceptibles de almacenar información en formato propietario, que puede convenir que sea accesible.

La tecnología de identificación automática de objetos o productos ha cambiado todos los conceptos tradicionales de inventarios en las grandes tiendas o consorcios comerciales; sin embrago, por la gran densidad de productos y los sistemas eléctricos y electrónicos de su entorno han comenzado a tener problemas con relación a las interferencias electromagnéticas, lo que hace que no sean compatibles electromagnéticamente en el ambiente donde se encuentra. En este sentido es importante analizar el ámbito de la compatibilidad electromagnética de los identificadores de radio frecuencias respecto a: asegurar la mínima afectación por perturbaciones electromagnéticas, disminuir los efectos de las perturbaciones electromagnéticas del ambiente donde operan e incrementar el grado de inmunidad del sistema con respecto a las interferencias electromagnéticas. Partiendo de lo anterior, en esta investigación se estudio el concepto y funcionamiento de los identificadores por radio frecuencia para proponer la metodología de medición de los parámetros eléctricos y electromagnéticos de los componentes del sistema y conocerlos de acuerdo a las mediciones realizadas tanto en campo como en laboratorio para así conocer si el sistema cumple con las especificaciones requeridas para la identificación automática de productos en sus distintas aplicaciones.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

(22)

pruebas tanto en campo como en laboratorio, sobre todo a vehículos circulado a velocidades mayores a las permitidas en las autopistas.

1.3 OBJETIVO.

Caracterización de la tecnología RFID para analizar la factibilidad de aplicarse a la identificación vehicular.

Llevar a cabo pruebas de laboratorio para determinar sus parámetros nominales de radiofrecuencia.

Llevar a cabo pruebas de campo para analizar el comportamiento de la identificación vehicular a velocidades mayores a las permitidas en las autopistas de México.

1.4 JUSTIFICACIÓN.

El control e identificación vehicular por medio de la tecnología RFID, aún no se aplica en la actualidad en ninguna parte del mundo. La mayor aplicación de esta tecnología en vehículos es para pago de peaje en las carreteras de cuota, donde normalmente este proceso se presenta a velocidades menores de 60Km/h. Debido a lo expresado, se tiene la necesidad de analizar la factibilidad de que dicha tecnología pueda aplicarse a la identificación vehicular, llevando a cabo pruebas tanto en laboratorio como en campo de la tecnología de RFID sobre todo a velocidades mayores a lo permitido en las autopistas de México. Por lo que en esta tesis se reportan los resultados de las pruebas realizadas a dicha tecnología. Las pruebas de campo se enfocaron a la identificación de vehículos circulando a velocidades de 80Km/h, 120Km/h 140Km/h y 180Km/h.

1.5 ALCANCE.

Caracterizar los sistemas de Identificación por radio frecuencia (RF) para productos comerciales o aplicaciones de identificación automática a distancia.

1.6 CONTENIDO DE LA TESIS.

(23)
(24)

CAPÍTULO 2

2. TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA.

2.1. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA RFID.

La Identificación por Radiofrecuencia (RFID), es una tecnología de Captura e Identificación Automática de datos (AIDC, Automatic Identification Data Capture) que tiene dos ventajas fundamentales: la primera es que tiene una gran capacidad para almacenar información y la posibilidad de capturar esa información sin necesidad de tener contacto físico ni visual entre el portador de los datos (etiqueta) y un dispositivo lector.

En general, los sistemas AIDC permiten recibir y almacenar electrónicamente la información, por medio del portador de datos o etiqueta, que viaja físicamente colocada al objeto a identificar, transportando la información o un número de identificación (ID).

Esta información puede emplearse con propósitos de identificación, o bien como una clave para acceder a un registro de una base de datos local o distribuida, donde se encuentra almacenada información adicional sobre el objeto a identificar, esto es, las aplicaciones que se den al identificador.

Los dispositivos de lectura son capaces de capturar de forma automática los datos asociados al objeto a identificar, integrándolos directamente en el sistema de información de las empresas o base de datos. Este hecho posibilita el tratamiento y transferencia de los datos de forma rápida y efectiva en la aplicación donde sea necesaria.

(25)

Existen diversos tipos de tecnologías AIDC [6]:

ƒ De almacenamiento óptico, como los códigos de barra linear y los códigos matriciales.

ƒ De almacenamiento magnético, como las bandas magnéticas (utilizadas en tarjetas de crédito o ticket de transporte).

ƒ De almacenamiento electrónico, como las etiquetas RFID (Radio Frequency Identification).

Es seguro que el ejemplo más visible de utilización de captura e identificación automática de datos sea el código de barras aplicado a la venta de productos en las cadenas de suministro. Aunque, esta tecnología no se reduce únicamente a este tipo de aplicaciones, sino que resulta importante para una gran cantidad de sectores en la industria. Sin embargo, la gran cantidad de información que se maneja hoy en día, aunada a la necesidad de tenerla disponible en todo momento, hacen de ella una tecnología ineficiente que necesita ser mejorada.

Frente a los sistemas de código de barras, surgen los sistemas de Identificación por Radiofrecuencia RFID, esta tecnología permite la identificación a distancia e inalámbrica, de objetos a los que se ha colocado etiquetas electrónicas.

2.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TECNOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA (RFID).

Los sistemas RFID están formados por tres componentes: etiquetas t ags, lectores o receptores y un sistema central de control, el cual es mostrado en la figura 2.1. En un sistema RFID típico, los objetos, animales o personas a identificar están equipados con una etiqueta que contiene un transponder (dispositivo que transmite y recibe señales, en este caso de radiofrecuencia) con un chip digital de memoria, también llamado etiqueta.

(26)

ƒ El lector está formado por una antena, capaz de emitir una señal de RF que activa la etiqueta, permitiéndole leer los datos almacenados en ella, y en algunos casos, incluso escribir en la memoria del circuito integrado.

ƒ Un sistema de información, host, PLC o controlador, que desarrolla la aplicación RFID. Recibe la información de uno o varios lectores y la comunica al sistema de información por medio de una red de telecomunicaciones. Este también es capaz de transmitir órdenes al lector.

Figura 2.1. Principio básico de un sistema de RFID.

2.3. TIPOS DE SISTEMAS.

Los sistemas RFID pueden dividirse en diversos tipos de acuerdo a distintos criterios.

ƒ Según la capacidad de programación de las etiquetas:

De sólo lectura. Son aquellas etiquetas que son programadas por el fabricante y no se pueden reprogramar.

De una escritura y múltiples lecturas. Estas etiquetas permiten una única reprogramación de usuario, independiente de la de fabricación.

De lectura/escritura. Este tipo de etiquetas permiten múltiples reprogramaciones de usuario.

ƒ Según el modo de alimentación de las etiquetas:

Activos. Son llamados de esta forma debido a que la etiqueta utiliza una batería para transmitir la información.

Pasivos. Se conocen así ya que las etiquetas no contienen batería, siendo alimentados por la señal de radiofrecuencia.

ƒ Según el rango de frecuencia de operación:

(27)

Ultra Alta Frecuencia (UHF): comprende las frecuencias de funcionamiento a 433MHz, 860MHz, 928MHz.

Frecuencia de Microondas: comprende las frecuencias de funcionamiento a 2.45GHz y 5.8GHz.

ƒ Según el protocolo de comunicación:

Dúplex (DX). La etiqueta transmite su información en cuanto recibe la señal del lector y mientras dura ésta. A su vez puede ser:

Half dúplex (HDX). Esto se presenta cuando la etiqueta y lector transmiten en turnos alternados.

Full dúplex (FDX). Este se da cuando la comunicación es simultánea.

Secuencial. Es cuando el campo del lector se apaga en intervalos regulares, momento que aprovecha la etiqueta para enviar su información.

ƒ Según el principio de propagación o tipo de acoplamiento etiqueta-lector:

Inductivos. Utilizan el campo magnético creado por la antena del lector para alimentar a la etiqueta. Operan en campo cercano (baja cobertura), a bajas frecuencias (LF y HF) y normalmente se presenta con etiquetas pasivas.

Propagación por ondas electromagnéticas. Utilizan la propagación de la onda electromagnética para alimentar a la etiqueta, estas operan en campo lejano (mayor cobertura), a muy altas frecuencias (UHF y microondas) y con etiquetas activas, ya que requieren una batería adicional para aumentar la potencia de transmisión.

2.4. FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS RFID.

Existe una gran diversidad de sistemas RFID y una amplia gama de aplicaciones, sin embargo a pesar de que los aspectos tecnológicos puedan variar, todos los sistemas de identificación por radiofrecuencia se basan en el mismo principio de funcionamiento.

1. Se equipa a todos los objetos a identificar, controlar o seguir, con una etiqueta RFID.

(28)

3. Cuando una etiqueta ingresa en dicho campo utiliza la energía y la toma como referencia temporal para realizar la transmisión de los datos almacenados en su memoria.

4. El lector detecta los datos transmitidos por la etiqueta como una perturbación del propio nivel de la señal.

5. El lector recibe los datos y los reenvía al sistema de control o PC para su procesamiento dentro del sistema de información.

La figura 2.2, muestra el principio de funcionamiento de los sistemas RFID, con el proceso descrito en los puntos anteriores, mostrando el acoplamiento magnético entre las antenas del sistema.

Figura 2.2. Esquema del funcionamiento del sistema RFID.

2.5. COMPONENTES DE LA TECNOLOGÍA RFID.

Como se menciono, todo sistema RFID se compone básicamente de etiqueta, lector o lector y sistema de información. A continuación se presenta la descripción de estos componentes, junto con los principales parámetros característicos.

2.5.1. ETIQUETAS RFID.

(29)

Las etiquetas pasivas no cuentan con un sistema de alimentación propio, poseen un circuito que se excita al recibir la potencia emitida por la antena del lector; esta potencia es suficiente para transmitir los datos almacenados en la etiqueta, en general poco más que un identificador. Las etiquetas pasivas funcionan en los cuatro tramos de frecuencias en los que se pueden encontrar sistemas RFID, que son: baja frecuencia (LF, 125KHz), alta frecuencia (HF, 13.56MHz), UHF (433MHz, 868MHz-915MHz) y microondas (2.45GHz-5.8GHz). El costo de estas etiquetas es relativamente bajo y su tamaño es pequeño, al no llevar batería integrada [7]. El problema es que su rango de lectura también está limitado en los productos comerciales existentes hoy en día (típicamente oscila entre decenas de centímetros y algunos metros, aumentando en función de la frecuencia de operación). Las etiquetas pasivas se están utilizando para reemplazar el sistema de código de barras tradicional para la identificación automática de productos.

Las etiquetas activas llevan acoplada una batería que les permite transmitir sus datos de forma autosuficiente en caso de interrogación por parte del lector. Comercialmente, y en una oferta mucho más limitada que en el caso de las etiquetas pasivas, las etiquetas activas se encuentran comercialmente para frecuencias de UHF y microondas, su rango de lectura es considerablemente mayor (hasta decenas de metros con las limitaciones actuales de potencia), como también lo es su memoria, su tamaño y su precio. Las etiquetas activas se emplean para identificar unidades de producto (por ejemplo lo que es conocido como pallets, que son las superficies para el transporte de carga) ya que contienen su valor en movimiento.

Las etiquetas semi-pasivas son muy similares a las etiquetas pasivas, la diferencia se da porque incorporan una pequeña batería, esta batería permite al circuito integrado de la etiqueta estar constantemente alimentado, pero no provee la energía necesaria para la comunicación, esa se toma de la señal de radiofrecuencia del lector. Además, elimina la necesidad de diseñar una antena para recoger potencia de una señal entrante. Las etiquetas RFID semi-pasivas responden más rápidamente, por lo que son más fuertes en el intervalo de lectura, comparadas con las etiquetas pasivas.

(30)

a). b).

Figura 2.3. a) Etiquetas RFID pasivas. b) Etiquetas RFID activas.

2.5.1.1. COMPONENTES DE UNA ETIQUETA RFID PASIVA.

La etiqueta esta formada por un substrato que puede ser, un plástico flexible (polímero), una antena que puede ser aleación de aluminio flexible, o antena de tinta conductiva, y un pequeño circuito integrado conectado a la antena que es el encargado de guardar los datos en memoria. Adicionalmente puede incorporar una batería para alimentar sus transmisiones o incluso algunas etiquetas más sofisticadas pueden incluir una circuitería extra con funciones adicionales de entrada/salida, tales como registros de temperatura, tiempo u otros estado físicos que pueden ser monitorizados mediante sensores apropiados (de temperatura, humedad, etc.). La etiqueta completa es típicamente de 30 milímetros cuadrados, el espesor de una fracción de milímetro, y se encapsula para que forme una etiqueta adhesiva durable y flexible.

El circuito integrado o CHIP incluye:

· Una circuitería analógica que se encarga de realizar la transferencia de datos y de proporcionar la alimentación.

· Una circuitería digital que incluye la lógica de control, la lógica de seguridad y la lógica interna o microprocesador.

(31)

dispositivo esté inactivo, y registros de datos (Buffers) que soportan los datos de forma temporal.

La antena de la etiqueta permite recoger la energía procedente de la señal de RF del lector y utilizarla para transmitir los datos almacenados en la memoria del chip. Puede tratarse de un elemento inductivo (por ejemplo, una bobina) o bien un dipolo.

La figura 2.4, muestra los componentes que conforman uno de los dispositivos de identificación o etiquetas que pueden encontrarse en los productos a identificar y que son más durables en comparación a los códigos de barras impresos en papel.

Figura 2.4. Componentes de una etiqueta pasiva.

2.5.1.2. TIPO Y CAPACIDAD DE DATOS ALMACENADOS.

Básicamente, las etiquetas pueden usarse con el fin de transportar información:

ƒ Un identificador (ID). La etiqueta almacena una cadena numérica o alfanumérica que puede representar:

i. Una identidad o número de identificación. Tanto para identificar un artículo de fabricación o un producto en tránsito, como para proporcionar una identidad a un objeto, un animal o un individuo.

ii. Una clave de acceso a otra información que se encuentra almacenada en una PC o en otro sistema de información.

ƒ Archivos de Datos (PDF, Portable Data Files). Permiten el almacenamiento de información organizada, sin perjuicio de que adicionalmente exista un enlace a información adicional contenida en otro sitio. Su función puede ser:

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En términos de capacidades de datos es posible conseguir etiquetas que satisfagan necesidades desde un único bit hasta varios kilobits. La función que desempeñen dependerá de la capacidad de memoria.

La velocidad de lectura de los datos depende principalmente de la frecuencia portadora. En términos generales, cuanta más alta sea dicha frecuencia, más alta será la velocidad de transferencia. A la hora de establecer tiempos de lectura, debe considerarse el tamaño de los datos que porta la etiqueta, la velocidad con que las etiquetas se mueven dentro de la zona de lectura, y el número de etiquetas que el lector debe detectar, ya que cuando varias etiquetasintentan transmitir sus datos a un mismo lector, el tiempo de lectura se multiplica por el número de etiquetas.

Opciones de Programación. Ya hemos visto que la etiqueta, dependiendo de sus posibilidades de programación, puede ser de sólo lectura, de una escritura y múltiples lecturas, o de lectura y escritura.

Forma física. Las etiquetas RFID pueden tener muy diversas formas, tamaños y carcasas protectoras, dependiendo de la utilidad para la que son creados. Por ejemplo: etiquetas encapsuladas en cristal, monedas, pilas, llaves, relojes, varillas, cápsulas, discos, botones. Etiquetas inteligentes, con el mismo formato que las habituales tarjetas de crédito, a las que se le incorpora una etiquetaRFID impreso, por lo regular. Esto permite la utilización de la tarjeta tradicional sin necesidad de contacto físico con un lector. Con respecto al tamaño, es posible desarrollar etiquetas del orden de milímetros hasta unos pocos centímetros.

2.5.2. LECTOR RFID.

Un lector o lector es el dispositivo que, por un lado, proporciona energía a las etiquetas, lee los datos que éstas le transmiten y los reenvía al sistema de información, y por otro, gestiona la comunicación. Este se muestra en el diagrama de la figura 2.5.

(33)

Adicionalmente, algunos lectores llevan integrado un programador que añade a su capacidad de lectura, la habilidad para escribir información en las etiquetas. Los lectores grabadores (también llamados lectores de escritorio) poseen un área de cobertura menor que los lectores, ya que para realizar la escritura se requiere mayor potencia que en la lectura.

2.5.2.1. COMPONENTES DEL LECTOR.

El módulo de radiofrecuencia consta básicamente de un transmisor que genera la señal de radiofrecuencia y un receptor que recibe, también vía radiofrecuencia, los datos enviados por las etiquetas.

La unidad de control está constituida por un microprocesador. Se encarga de realizar las funciones de codificación/decodificación de datos, comprobación de la integridad de los datos, gestión del acceso al medio y comunicación con el sistema de información.

Figura 2.5. Esquema de los componentes de un lector RFID.

2.5.2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS LECTORES RFID.

Los lectores pueden variar su complejidad considerablemente dependiendo del tipo de etiqueta que tengan que alimentar y de las funciones que deban desarrollar [7]. Algunos de los principales parámetros que caracterizan un lector RFID son:

ƒ La frecuencia de operación (LF, HF, UHF, Microondas). ƒ El Protocolo de funcionamiento (ISO, propietarios, etc.).

(34)

ƒ La interfaz con el sistema host (TCP/IP, WLAN, Ethernet, RS232, RS485, etc.).

ƒ Capacidad de multiplexaje de varios lectores o gestionar múltiples antenas.

ƒ La disponibilidad de una entrada/salida digital que permita conectar otros dispositivos, tales como sensores externos o circuitos de control adicionales.

La siguiente figura muestra los tipos de lectores que existen en el mercado dividiéndose en portátil, fijo y de escritorio.

Figura 2.6. Tipos de lectores RFID (fijos portátiles y de escritorio).

2.5.3. LA ANTENA DEL LECTOR.

La antena es el elemento que habilita la comunicación entre el lector y la etiqueta. Su diseño puede variar desde pequeños dispositivos de mano hasta grandes antenas independientes. Por ejemplo, hay antenas de puerta (uso ortogonal), polarizadas circular o linealmente, omnidireccionales, dipolos, múltiplos, arrays, etc.

(35)

Estos elementos están a su vez influenciados por otros parámetros, como la eficiencia de la antena, el tipo de acoplamiento antena –etiqueta o la orientación de la etiqueta.

Todos estos parámetros deben tomarse en consideración al momento de realizar mediciones o caracterizaciones de los componentes del sistema, para obtener valores correctos y descartar disminución de la señal por parte de las antenas de transmisión y recepción.

La figura 2.7 muestra los tipos de antenas lectoras que pueden ser ya sean internas o externas dependiendo de la conexión con el lector del sistema RFID.

Figura 2.7. Tipos de antenas para lectores RFID.

(36)

ESTACIÓN

BASE ETIQUETA

LECTURA

RECEPCIÓN

DE DATOS DE DATOSTRANS. RECIBE PETICIÓN

R

E

CEPCIÓN

TRANSMISI

Ó

N

ESPERA

ESPERA

PROCESANDO INFORMACIÓN

Figura 2.8. Protocolo de comunicación entre etiqueta y lector.

2.5.4. EL SISTEMA DE INFORMACIÓN.

De manera similar a los códigos de barras estándar, las etiquetas RFID son simplemente un modo automatizado para proporcionar datos de entrada al sistema cliente. Sin embargo, las etiquetas RFID son capaces de ofrecer también una salida (realimentación) automatizada del sistema hacia la etiqueta, permitiendo la actualización dinámica de los datos que ésta porta.

El principal objetivo de la aplicación software es gestionar y tratar los datos recibidos por el lector. El sistema debe ser lo suficientemente robusto para poder manejar las múltiples lecturas que permiten realizar los sistemas RFID, coordinar tiempos y flujos de información, gestionar los distintos eventos, soportar las realimentaciones de los usuarios, introducir las actualizaciones del sistema cuando sea requerido e integrar otros sistemas de información a una empresa. En todos los casos el sistema cliente necesitará modificaciones del software para integrar los datos proporcionados por el lector y el programador, como por ejemplo la distancia de lectura que puede ser variada por medio de la potencia transmitida del lector.

2.6. FRECUENCIA DE OPERACIÓN.

La frecuencia de operación es el elemento más determinante a la hora de desplegar un sistema RFID. Influye sobre los siguientes parámetros.

(37)

ƒ Velocidad y tiempo de lectura de datos. Es el parámetro más afectado por la frecuencia. En términos generales, cuanta más alta sea la frecuencia de funcionamiento mayor será la velocidad de transferencia de los datos. Esta circunstancia está estrechamente relacionada con la disponibilidad de ancho de banda en los rangos de frecuencia utilizados para realizar la comunicación. El tiempo de lectura dependerá lógicamente de la velocidad de lectura y de la cantidad de datos que hay que transmitir. ƒ Cobertura. Además de la frecuencia, la cobertura depende también de la

potencia disponible en la etiqueta, de la potencia suministrada por la antena del lector y de las condiciones del entorno de la aplicación. El valor real será siempre función de estos parámetros y de la configuración final del sistema. Por este motivo, los valores que se presentan para cada banda, son solo con la finalidad de dar una orientación.

ƒ Características de la zona de lectura: orientación de la etiqueta, influencia de los obstáculos, influencia de las interferencias.

ƒ Costos.

ƒ Áreas de aplicación más adecuadas.

Las distintas bandas de frecuencia que se consideran en los sistemas RFID son:

2.6.1. BAJA FRECUENCIA LF (< 135KHz)

Estos sistemas suelen emplear etiquetas pasivas y utilizan para su funcionamiento el acoplamiento inductivo. Poseen pocos requisitos para su regulación.

2.6.2. ALTA FRECUENCIA HF (13.56MHz)

La mayoría de estos sistemas utilizan etiquetas RFID pasivas y su principio de funcionamiento básico se basa en el acoplamiento inductivo.

2.6.3. ULTA ALTA FRECUENCIA UHF (433MHz, 860MHz, 928MHz)

Los sistemas RFID que trabajan a Ultra Alta Frecuencia basan su funcionamiento en la propagación por ondas electromagnéticas. Trabajan tanto con etiquetas activas como con pasivas.

2.6.4. MICROONDAS (2.45GHz y 5.8GHz)

(38)

En la tabla 2.1 y 2.2, se muestran las características de las etiquetas, dependiendo del rango de frecuencia al que trabajen [8].

Tabla 2.1. Intervalo de Frecuencias de los sistemas RFID.

BANDAS DE FRECUENCIAS

INTERVALO DE FRECUENCIAS

COMENTARIO

Bajas Frecuencias (LF) 120KHz-135KHz

Intervalo corto en

aplicaciones inductivas.

Altas Frecuencias (HF) 13.56MHz

La frecuencia común

mundial, para tarjetas

inteligentes y etiquetas.

433MHz

Etiquetas activas de baja

potencia.

Ultra Altas Frecuencias (UHF)

860MHz-960MHz

Banda para el mayor

desarrollo de actividades en

una cadena de suministro.

Microondas 2450MHz

La tecnología de etiqueta

activa proporciona rápida

adquisición de datos y mayor

intervalo de lectura.

Tabla 2.2. Características típicas de los sistemas RFID dependiendo de la frecuencia

de operación. OPERACIÓN TÍPICA RANGO TAMAÑO TÍPICO DE LA ETIQUETA BANDAS DE FRECUENCIA

MHz LECTURA SOLO LECTURA Y ECRITURA ACTIVA VOLUMEN PASIVA AREA APLICACIONES TÍPICAS VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE DATOS COMENTARIO 0.125-0.134 (Bajas Frecuencias LF) Arriba de 2m

Pocos cm 5-10 cc 2-5 cm2 Identificación

Animal

Inmovilizador de automóviles Control de acceso Trabajo en progreso

Lenta

No permite múltiple acceso

Aplicaciones inductivas Etiquetas costosa Susceptible a ruido eléctrico 13.56 (Alta Frecuencia) Arriba de 1m Arriba de 0.5m

3-5 cc 10 cm2 Tarjetas

inteligentes Etiquetas inteligentes

Genero de electrodomésticos

Acceso y sistemas de seguridad Mediana Múltiples lecturas coincidentes <50 artículos Diferente energía para lectores Norteamericana y Europea

433MHz Pocos m Especialmente en

el rastreo animal

Rápida Etiquetas activas

860-960 Arriba de 1-2 cc 4cm2

(39)

(Ultra Alta Frecuencia UHF)

0.5m que rastrea en la

fabrica Almacén y cadenas de distribución Múltiples lecturas coincidentes <100 artículos de lectura múltiple de etiquetas Favorable integración para la fabricación de una etiqueta barata La etiqueta modula la lectura para enviar el dato Diferentes frecuencias y niveles de energía en América Europa y Japón

2450 (Microondas) Arriba de

10m

Arriba de 1m

- 1 cm2 Tarjetas

prepagadas para viajes Rápida Sistemas inalámbricos Favorable integración para la fabricación de una etiqueta barata

Aproximadamente el valor de la velocidad de transferencia de datos clasificada como LENTA es mayor de 2Kb por segundo, MEDIANA arriba de 10Kb por segundo, RAPIDA, arriba de 100Kb por segundo.

2.7. APLICACIONES DE LA IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA.

Se ha usado la cadena de suministros como un ejemplo de la aplicación de la tecnología RFID, siendo esta una de las aplicaciones que muchas personas pueden relacionar. Sin embargo, la versatilidad de la tecnología RFID, tiene el potencial de generar una amplia gama de aplicaciones en diferentes áreas, algunas de las aplicaciones se muestran en la figura 2.9, pero esto no debe considerarse como una lista definitiva, ya que se siguen generando nuevas aplicaciones para esta tecnología y se presentan sin orden de importancia.

2.7.1. ALGUNAS APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA RFID.

ƒ Productos en cadenas de suministros.

ƒ Fabricación de inventarios y control de contabilidad.

(40)

ƒ Bibliotecas, museos, identificación de artículos en galerías de arte, control y seguridad.

ƒ En él ramo automotriz, registro de servicio.

ƒ La tecnología de la Tarjeta Inteligente se aplica en la compra de un artículo, tarjeta para viajes. etc.

ƒ Autenticación farmacéutica. ƒ Pasaportes.

ƒ Identificación animal. ƒ Cobro en autopistas.

ƒ Banda transportadora para manejo de equipaje. ƒ Control de datos en alimentos.

ƒ Identificación y control vehicular.

Figura 2.9. Aplicaciones de la tecnología RFID, a) autenticación farmacéutica,

b) fabricación de inventarios, c) control de accesos, d) logística y distribución,

e) control de datos en alimentos, f) identificación animal.

2.7.2. APLICACIONES DE SEGURIDAD.

ƒ Sistemas de prevención antirrobo EAS (Electronic Article Surveillance). El sistema EAS, de vigilancia electrónica de artículos, trata de alertar de las posibles salidas de bienes no autorizadas de una empresa o un establecimiento.

ƒ Sistema de inmovilización de un vehículo.

(41)

ƒ Autenticación de documentos y de artículos de lujo.

En ocasiones se necesita controlar las copias originales de documentos legales o confidenciales. Adhiriendo una etiqueta RFID al documento, es posible comprobar la originalidad del mismo, así como garantizar que, por ejemplo, sólo las personas autorizadas (con su etiqueta RFID correspondiente) tienen acceso a él. Incluso puede controlarse que el documento no salga del edificio sin permiso expreso.

2.7.3. CONTROL DE ACCESOS.

ƒ Acceso controlado de vehículos o personal.

En aquellos lugares donde es necesario restringir el acceso de personas o vehículos a una determinada zona, la utilización de etiquetas RFID permite realizar un adecuado control de los mismos. Una vez que los lectores reciben la información de la etiqueta, un software comprueba si esa identificación posee los permisos adecuados para acceder al recinto. Asimismo, es posible realizar un seguimiento de dicha persona o vehículo colocando lectores en los lugares críticos de paso o puertas de acceso. Estos lectores capturan la información correspondiente a cada etiqueta que entra dentro de su área de cobertura, registrándola en una base de datos. De ese modo se puede conocer en todo momento la hora y lugar por donde ha pasado el objeto o la persona, monitorizando sus movimientos.

2.7.4. EJEMPLO DE UNA APLICACIÓN.

La figura 2.10, muestra una típica aplicación industrial de la identificación por radiofrecuencia donde una banda transportadora de productos esta examinando cada etiqueta RFID para descubrir el identificador del producto previamente escrito en la memoria del chip, por ejemplo:

ƒ Lote y número de serie ƒ Fecha de fabricación

y entonces, por ejemplo, puede escribir en la etiqueta:

ƒ Datos de fabricación

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Figura 2.10. Diagrama de una aplicación de la tecnología RFID.

En este ejemplo, la etiqueta de la RFID se adhiere a un producto, en donde la antena del escáner es conectada hacia el lector, este habilita un operador de vigilancia en la programación de la identificación por radiofrecuencia.

El lector es conectado a una PC para la recepción de los datos de identificación, el procedimiento es el siguiente:

ƒ Para que los nuevos datos sean escritos apropiadamente, y la lectura de la información de cada etiqueta del producto se debe

ƒ notificar al agente de envío la necesidad de ordenar por género ƒ levantado de factura

Cada uno de los productos en la banda transportadora puede ser etiquetado individualmente con su propio RFID que identifica los datos. La tecnología de identificación por radiofrecuencia se caracteriza relacionando un producto a una base de datos (información asociada).

(43)

RFID utilizada, en particular es usada la radiofrecuencia. Pretenciosamente, la proximidad necesaria entre la antena del escáner y las etiquetas de RFID para que el funcionamiento sea exitoso, es dependiente de la radiofrecuencia y de si la etiqueta es activa o pasiva.

Algunos de los problemas que ocasionan la mala comunicación entre el lector y las etiquetas en los productos son:

ƒ Mala conexión entre lector y antena. ƒ Antena mal sintonizada.

ƒ Señales de interferencia de otras aplicaciones electrónicas, estaciones de transmisión.

ƒ Señales de interferencia con líneas de energía. ƒ Componentes metálicos cercanos a la antena.

Dentro de estas áreas de aplicación podemos destacar algunas en donde entra la aplicación de nuestro estudio que es la identificación y control vehicular.

2.8. IDENTIFICACIÓN VEHICULAR.

Como se puede observar la identificación vehicular es una aplicación que puede abarcar puntos de vigilancia, y es importante para realizar el rastreo y la localización de un automóvil dentro de un área determinada.

(44)

Un esquema de la tecnología de identificación por radiofrecuencia para la aplicación de identificación vehicular se muestra en la Figura 2.11.

Las principales ventajas de utilizar esta tecnología para la identificación vehicular son:

ƒ Operación manos libres, sin detención.

ƒ Reducción del tráfico en entradas y salidas.

ƒ Mayor seguridad personal.

ƒ Control de la autorización de seguridad mediante identificación.

ƒ Accesible en precio, fácil instalación y mantenimiento.

ƒ Procesamiento automático en puertas remotas o sin atención de personal.

ƒ Rastreo automático del inventario.

ƒ Sistema flexible que se adecua a los requerimientos en cuanto a distancia,

velocidad.

ƒ Disminución de emisiones, ya que el vehículo pasa por las entradas o

(45)

CAPITULO 3.

3. TECNOLOGÍA RFID PASIVA EN LA BANDA UHF.

Como ya se mencionó anteriormente, los componentes principales de un sistema RFID son las etiquetas, antenas y los lectores, los cuales se describen a continuación, de manera más detallada.

3.1. ETIQUETAS DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA PASIVAS.

Las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) están compuestas de una antena y un circuito integrado. La antena se define como un transductor de energía electromagnética que captura y emite señal de radiofrecuencia (RF) al medio ambiente [9]. El circuito integrado (CI) recibe la energía electromagnética conducida desde la antena en forma de tensión y/o corriente; con la cual se alimenta, para reconocer la identificación y transmitir los datos almacenados en su memoria hacia la antena. En la figura 3.1 se muestra un diagrama a bloques de una etiqueta RFID.

Figura 3.1 Esquema básico de una etiqueta de RFID pasiva.

(46)

Tabla 3.1 Etiquetas de RFID que operan en el intervalo de frecuencia de 915MHz.

Fabricante Proceso Impedancia de entrada

Distancia de lectura en m

Enlace de subida Enlace de bajada Potencia en antena 0.5µm CMOS Schottky

6.7-j0.210 9.5 a 4W EIRP PWM 5-80 kbits/s ASK PSK 5-80 kbits/s

30µW

ATMEL ATA5590 0.5µm CMOS Schottky No especificada No especificada

a 4W EIRP

PWM <256 kbits/s ASK<256k bits/s No especifi-cada

EM Microelectronic SA, EM4222

0.25µm CMOS Schottky No especificada No especificada

a 4W EIRP

PWM 40/80 kbits/s

FSK 42µW

Impinj Zuma

0.14µm CMOS Schottky

Programable 10 a 4W EIRP ASK 40 kbits/s 40 kbits/s AM(ASK) 50µW

Philips NXP

CMOS 6.7-j0.197 10 a 4W EIRP

PWM 15-70 kbits/s

FSK

30-140 kbits/s 27µW

ST XRA00

Tabla 3.2 Etiquetas de RFID que operan en la banda de 2.45GHz.

Fabricante Proceso Impedancia de entrada

Distancia de lectura en m

Enlace de subida Enlace de bajada Potencia en antena 0.5µm CMOS Schottky No

especificada 1 PWM ASK 380µW

EM Microelectronic SA, EM4222

No

especifica

do

No

especificada 1.8 ASK ASK 117µW

(47)

0.18µm CMOS Schottky 60 0.4 No especifi-cado

ASK 2200µ W

Hitachi µ Chip

0.5µm

CMOS

Schottky

4-j0.89 2.6 PWM PSK 56µW

ATMEL Research

3.1.1. ANTENA.

La característica de desempeño más importante en los sistemas de identificación por radiofrecuencia es la cobertura de lectura, que corresponde a la distancia máxima entre la etiqueta-lector para tener comunicación. Esta distancia se puede calcular por medio de la formula de Friis para el espacio libre [10], que está dada por, u r t t o

P

G

G

P

r

τ

π

λ

4

=

, (3.1)

donde:

λ

Longitud de onda de la señal portadora.

t

P

Potencia transmitida por el lector RFID.

t

G

Ganancia de la antena del lector RFID.

u

P

Sensibilidad del circuito integrado de la etiqueta.

τ

Coeficiente de la transferencia de potencia.

Éste último se determina por:

1

0

4

2

+

=

τ

Z

Z

Ra

R

a c c

τ

, (3.2)

donde

Z

c

=

R

c

+

jX

c es la impedancia del circuito integrado y

Z

a

=

R

a

+

jX

a es la

(48)

La antena de la etiqueta RFID es un elemento bidireccional que convierte energía electromagnética radiada a energía electromagnética conducida. La eficiencia de este elemento depende del acoplamiento de la máxima transferencia de potencia, la cual puede optimizarse para una determinada distancia, en función de la ganancia, utilizando la ecuación 3.1.

Una gráfica que permite determinar el desempeño de la etiqueta con respecto a la ganancia de la antena y el coeficiente de la máxima transferencia de potencia se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2. Gráfica normalizada para determinar el desempeño de la etiqueta.

3.1.1.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DE LA ANTENA.

El diseño de la antena para una etiqueta RFID depende de la aplicación, pero existen requerimientos generales que deben cubrirse para la banda de frecuencia UHF [11].

3.1.1.1.1. BANDA DE FRECUENCIA.

(49)

Internacional de Telecomunicaciones. En México se manejan en el acuerdo de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) desde marzo del 2006.

3.1.1.1.2. TAMAÑO Y FORMA.

La forma y el tamaño deben seleccionarse de acuerdo a la aplicación, de tal manera que puedan colocarse en el objeto a identificar.

3.1.1.1.3. INTERVALO DE LECTURA.

Este requerimiento involucra tres puntos importantes:

ƒ Potencia isotrópica radiada (EIRP) que se especifica por cada país para la frecuencia de operación del sistema, en México se especifica en el acuerdo de la SCT desde marzo del 2006.

ƒ Objeto donde se coloca la etiqueta, la antena de la etiqueta debe estar entonada con las propiedades del material del que está fabricado el objeto a identificar (cartón, vidrio, plástico, etc.).

ƒ Orientación de la etiqueta, el alcance de lectura depende principalmente de la orientación de la antena y del patrón de radiación de la misma, normalmente se busca que la polarización de ésta sea direccional.

3.1.1.1.4. MOVILIDAD.

Este punto se refiere a la lectura de una etiqueta RFID en movimiento, para este caso el efecto Doppler es despreciable, los efectos se relacionan con la tasa de transmisión de datos asociados con los tiempos de sincronía.

3.1.1.1.5. COSTO.

La etiqueta RFID debe ser de bajo costo, lo cual impone restricciones en el material de antena y del substrato en que se fija. Típicamente, los materiales de las antenas son cobre, y tinta de plata. El substrato debe ser un material flexible y no rígido.

3.1.1.1.6. CONFIABILIDAD.

(50)

3.1.1.2. DISEÑO DE UNA ANTENA.

El diseño básico de la antena de una etiqueta RFID se presenta a partir de un dipolo de

λ

4

, buscando la máxima ganancia en el espacio libre y después se optimiza cuando se coloca en el substrato y en el material del objeto a identificar. Una antena típica con su patrón de radiación simulado se muestra en la figura 3.3. La simulación se llevó a cabo sobre un substrato de 2.5 del valor de la constante dieléctrica, con dimensiones de 5mm x 3mm y un espesor de 0.5mm.

Figura 3.3. Antena para etiqueta de RFID y su patrón de radiación.

En la figura 3.4 se muestra algunas antenas que se utilizan en las etiquetas de RFID.

Figura 3.4. Antenas típicas de etiquetas de RFID.

Para analizar los efectos de un plano de tierra en la etiqueta se simuló con el software NEC (Numerical Electromagnétic Code) un dipolo doblado de

λ

2

para la

Figure

Figura 4.1. Diagrama a bloques de un sistema de la tecnología RFID.
Figura 4 1 Diagrama a bloques de un sistema de la tecnolog a RFID . View in document p.10
Figura 5.21. Resultados del número de lecturas.
Figura 5 21 Resultados del n mero de lecturas . View in document p.11
Figura 4.7. Datos obtenidos por el analizador de espectros para la potencia nominal del lector y el VSWR
Figura 4 7 Datos obtenidos por el analizador de espectros para la potencia nominal del lector y el VSWR. View in document p.71
Figura 4.9. Gráfica obtenida de la impedancia del cable en laboratorio.
Figura 4 9 Gr fica obtenida de la impedancia del cable en laboratorio . View in document p.74
Figura 4.10. Gráfica obtenida de las pérdidas del cable.
Figura 4 10 Gr fica obtenida de las p rdidas del cable . View in document p.75
figura 4.11.
figura 4.11. . View in document p.76
Tabla 4.4. Número de lecturas y su valor promedio con variación del ángulo de la etiqueta
Tabla 4 4 N mero de lecturas y su valor promedio con variaci n del ngulo de la etiqueta. View in document p.79
Figura 4.15. Esquema de medición de la potencia radiada con señal de
Figura 4 15 Esquema de medici n de la potencia radiada con se al de . View in document p.81
Figura 4.18. Histograma del número de lecturas con señal de interferencia con modulación
Figura 4 18 Histograma del n mero de lecturas con se al de interferencia con modulaci n. View in document p.83
Tabla 4.5. Número de lecturas obtenido con una señal de interferencia con modulación y variación de la potencia de salida de generador R&S
Tabla 4 5 N mero de lecturas obtenido con una se al de interferencia con modulaci n y variaci n de la potencia de salida de generador R S. View in document p.83
Figura 4.19. Esquema de aplicación de la señal interferente hacia una etiqueta RFID activa
Figura 4 19 Esquema de aplicaci n de la se al interferente hacia una etiqueta RFID activa. View in document p.85
Figura 4.20. Frecuencia de operación del enlace de  bajada del sistema RFID.
Figura 4 20 Frecuencia de operaci n del enlace de bajada del sistema RFID . View in document p.87
Figura 5.2. Gráfica obtenida por el receptor de EMI sin equipo RFID conectado.
Figura 5 2 Gr fica obtenida por el receptor de EMI sin equipo RFID conectado . View in document p.90
Figura 5.3. Gráfica obtenida por el receptor de EMI con lectura de etiquetas a 7m  de distancia del lector
Figura 5 3 Gr fica obtenida por el receptor de EMI con lectura de etiquetas a 7m de distancia del lector. View in document p.91
Figura 5.4. Gráfica de la medición del ambiente electromagnético con el lector  trabajando (rojo) y con la señal de referencia (verde)
Figura 5 4 Gr fica de la medici n del ambiente electromagn tico con el lector trabajando rojo y con la se al de referencia verde . View in document p.92
Figura 5.6.
Figura 5 6 . View in document p.93
Figura 5.7. Ángulo de colocación de la antena lectora.
Figura 5 7 ngulo de colocaci n de la antena lectora . View in document p.94
Figura 5.12. Colocación de la etiqueta activa en el automóvil de pruebas.
Figura 5 12 Colocaci n de la etiqueta activa en el autom vil de pruebas . View in document p.97
Tabla 5.1. Reconocimiento de la etiqueta activa.
Tabla 5 1 Reconocimiento de la etiqueta activa . View in document p.99
Tabla 5.5. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 120Km/h.
Tabla 5 5 Resultados del n mero de lecturas de la etiqueta a 120Km h . View in document p.101
Tabla 5.7. Resultados del número de lecturas de la etiqueta a 160Km/h y 180Km/h.
Tabla 5 7 Resultados del n mero de lecturas de la etiqueta a 160Km h y 180Km h . View in document p.102
Figura B.6.Estándares de calibración.
Figura B 6 Est ndares de calibraci n . View in document p.132
Figura B.7.Pérdidas del cable.
Figura B 7 P rdidas del cable . View in document p.133
Figura B.8.Ganancia de la antena.
Figura B 8 Ganancia de la antena . View in document p.134
Figura C.1. Lector RFID Activo.                                       Interfaz conectores RJ45
Figura C 1 Lector RFID Activo Interfaz conectores RJ45 . View in document p.136
Tabla C.1. Características eléctricas.
Tabla C 1 Caracter sticas el ctricas . View in document p.136
Tabla C.4. Especificaciones mecánicas.
Tabla C 4 Especificaciones mec nicas . View in document p.138
Tabla C.6. Especificaciones eléctricas.
Tabla C 6 Especificaciones el ctricas . View in document p.139
Tabla C.4. Especificaciones mecánicas.
Tabla C 4 Especificaciones mec nicas . View in document p.140
Tabla C.7. Especificaciones físicas.
Tabla C 7 Especificaciones f sicas . View in document p.142

Referencias

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